南京理工大学沙刚Acta Materialia!!面向溶质工程策略实现耐候钢优异耐蚀性能的研究

腐蚀是制约材料服役寿命的根本性因素，造成巨大的经济损失与安全隐患。耐候钢通过在大气暴露条件下形成保护性锈层，为应对严苛环境提供了经济有效的解决方案，尤其在含SO₂的工业大气环境中具有重要应用价值。大气腐蚀源于复杂的电化学反应，氧化与还原过程的相互作用决定了整体腐蚀速率。晶界作为快速扩散通道，常成为局部腐蚀的优先发生位置。耐候钢的优异性能来源于其锈层的结构与保护特性，该层由氧化物、氢氧化物、羟基氧化物及非晶相组成的复合材料构成。传统上，锈层通常分为疏松的外锈层和致密的内锈层，后者富含针铁矿（α-FeOOH），作为主要保护屏障阻碍腐蚀性物质的侵入。在含SO₂环境中，无裂纹的非晶相如FeOOH和纤铁矿（δ-FeOOH）进一步增强保护性能。尽管光谱学、X射线衍射、电化学方法等实验手段已推进了对合金元素如何影响锈层形成与稳定性的理解，但耐候钢的合金设计仍主要依赖经验，因为溶质在锈层内的原子尺度分布及其与腐蚀性氧、硫物种的相互作用机制尚不明确。因此，通过溶质工程策略将合适的合金元素调控至特定微结构位置，对于优化耐蚀性能至关重要。

在这项研究中，研究人员针对一种商业含锑耐候钢（S450AW）在富SO₂大气环境中暴露长达12个月的腐蚀行为进行了系统研究，采用多尺度表征结合密度泛函理论计算，揭示了原子尺度耐蚀机制。通过扫描电镜、拉曼光谱、透射电镜及原子探针层析等技术，研究人员识别出超细晶层（UGL）和过渡层（TL）为保护钢基体的关键屏障。原子探针分析首次提供了原子尺度证据，表明在超细晶层晶界处，锑、磷、铜、硅与铬协同偏聚，形成富铬氧化物纳米颗粒，这些颗粒与硫呈现显著正相关性，有效捕获腐蚀性硫和氧物种。过渡层中铬、镍、铜、碳的富集及其非晶结构特征，使其成为阻隔腐蚀性离子扩散的物理屏障，同时其晶界可能作为保护性元素向超细晶层输送的通道。第一性原理计算进一步证实，锑、镍、铜、硅及空位的存在可增强富铬氧化物对硫的捕获能力。研究还发现，超细晶层本身并不足以保证有效防护，其晶界化学状态至关重要——无锑钢虽也形成超细晶层，但因缺乏晶界富铬氧化物纳米颗粒而防护效果有限。

该研究建立了面向富SO₂环境的高性能耐候钢设计的溶质工程策略，明确了通过调控铬、锑、磷、硅和铜在超细晶层及其晶界的富集，可构建稳固的腐蚀防护屏障。研究表明，超细晶层与过渡层的协同作用机制是理解耐候钢耐蚀性能的关键：超细晶层通过晶界纳米颗粒的原位形成捕获腐蚀性物种，而过渡层则作为元素储库维持保护结构的稳定性。这一机制性认识突破了传统经验设计的局限，为下一代高性能耐候钢的开发提供了理论指导。具体而言，合金设计应优先考虑促进锑与铬在超细晶层晶界的共偏聚，以优化硫捕获效率；同时确保过渡层中镍、铜等元素的充足供给，以支撑保护层的长期稳定性。该研究不仅深化了对大气腐蚀机理的科学认知，更为面向严苛工业环境的先进钢铁材料设计提供了可量化的成分-结构-性能关联依据，具有重要的工程应用价值。